第3章 工程管理的“四个平台”体系

第3章 工程管理的“四个平台”体系

教学目标

本章主要讲述建设工程管理的最基本的“四个平台”体系。通过本章学习，应达到以下目标：

(1)掌握工程技术平台、经济平台、管理平台以及法律平台体系；

(2)熟悉“四个平台”之间的联系；

(3)理解“四个平台”之间的相互融合关系

教学要求

知识要点 能力要求

相关知识 工程技术平台 (1)工程技术体系的基本内容； (2)工程结构、材料、施工； (3)工程中的基本技术要求 (1)工程材料；

(2)工程结构；

(3)工程施工

经济平台 (1)技术方案的选择与评价； (2)工程项目的适用性； (1)技术方案的选择；

(2)财务效益与国民经济效益

管理平台 (1)预定的目标分解成具体的操作指南； (2)对人员与资源进行组织来完成工程 (1)管理与协调；

(2)事前、事中和事后控制；

(3)偏差纠正

法律平台 建设法规体系的基本框架

法律、行政法规、部门规章和地方

性法规、地方性规章

工程技术平台、工程结构、工程材料、工程施工；经济平台、工程项目的经济性、工程项目的适用性；管理平台、事前、事中和事后控制、偏差纠正；法律平台、法规体系。

引例 悉尼歌剧院和设计者的荣辱

悉尼歌剧院是唯一设计师在世时就被评选为世界文化遗产的建筑。

1956年，澳洲政府发布了向海外征集悉尼歌剧院设计方案的广告。丹麦37岁的年轻建筑师约恩〃伍重提交了一个设计方案。评选团专家之一，芬兰籍美国建筑师埃罗〃沙里

宁看到这个方案后，认为其造型新颖奇特，外形宛如一组扬帆出海的船队，也像一枚枚屹立在海滩上的大贝壳。沙里宁对此欣赏有加，并力排众议，在评委间进行了积极有效的游说工作。虽然伍重的方案早在初评中就已被淘汰，但是在沙里宁力荐下又起死回生，最终击败所有231个竞争对手脱颖而出。按伍重后来的解释，他的设计理念既非风帆，也不是贝壳，而是切开的橘子瓣，但是他对前两个比喻也非常满意。

1959年，歌剧院正式破土动工。然而，伍重参加设计竞赛的方案过于简略，且反潮流的风格对传统的施工方案提出了尖锐的挑战，工程陷入了一系列的技术及经费的难题之中。例如起初设想那些巨大的壳片可以是钢筋混凝土整浇壳体结构，经过深入研究后发现，无法制作变曲率的模板并保证不变形，只能将每一个壳片划分为一条条钢筋混凝土的肋券并分段预制，然后才能组合成整体。为了减少施工的难度，又将全部壳片改为同样的曲率，使每一个壳片都相当于假想半径为76米的圆球表面的一部分。最后，10块贝形尖顶壳由2194块、每块重15.3吨的混凝土预制件拼成。为研究和设计这些壳片的结构，用去8年时间，施工也费时3年多。经过15年的艰难曲折，歌剧院终于在几度搁浅后，于1973年建成竣工。工程预算700万美元，实际费用达12000万美元，是预算的15倍。

完工后的歌剧院建筑引来了世人的好评，英国女皇伊丽莎白二世亲自为其落成剪彩揭幕。这座建筑长183米、宽118米、高67米，贝壳结构外表覆盖着105块白色和奶油色的瓷砖。音乐厅、歌剧厅连同休息厅并排而立，各由4块巍峨的大壳顶组成，其中3块壳顶面海依抱，1块背海屹立，与周围的海上景色浑然一体，富有诗意，被誉为一件杰出的艺术品，成为世界各地旅游者和艺术家们向往的地方。它已经成了悉尼的骄傲、澳大利亚的象征。

约恩〃伍重并没有亲身感受到歌剧院落成的喜悦。事情的发展如同一场精彩的戏剧，落幕时赢得了满场喝彩，观众鼓掌欢呼时，却发现谢幕的主演换了一张陌生的面孔。

1965年，支持歌剧院工程的澳大利亚工党政府在大选中失利下台，新上台的自由党政府指责前任政府“不惜巨额财力建一个世界上最大的歌剧院是奢侈和浪费”，拒绝为工程追加新的预算，并终止了与约恩〃伍重的合同，他于1966年愤然辞职回国，当时工程才完成不到四分之一，余下的工程是由三名澳大利亚建筑师完成的。约恩〃伍重从未亲眼目睹竣工后的悉尼歌剧院，至2008年逝世也没有再踏上澳洲的土地。对他个人来说，悉尼歌剧院不能不说是一出悲剧。

3.1 建设工程“四个平台”体系概述

3.1.1建设工程管理“四个平台”体系结构

建设工程管理教育是为社会培养具有土木工程技术、经济、管理、法律等基础知识和专业知识，能够从事项目全过程、全方位和全要素管理的复合型高级管理人才。建设工程管理的课程是跨学科的综合性课程，该课程把工程技术内容和管理知识以及相关经济和法律知识有机地结合在一起，其独特的教学内容是其他课程不能替代的。其平台课程包括工

程技术平台课程、经济平台课程、管理平台课程、法律平台课程。作为工程管理者要取得“1＋1＋1＋1＞4”的效果，必须将以上四个方面的知识有机地结合起来。所以建设工程管理专业不仅要求学生有广阔的视野，更应该要求从事该专业教学的教师有广阔的视野，要求教师首先融会贯通以上四个方面的知识，而不是仅仅局限于自己狭窄的知识领域。

以建设工程施工阶段的管理工作为例，要做好施工管理工作不仅要掌握施工方法和工艺流程等技术，以便能够对施工计划进行合理的安排与控制，而且还应掌握对项目进行计划、组织、协调、控制等的管理工作，除此之外，还需要掌握经济和法律方面的知识，以便能更好地进行投资控制和合同管理等。只有全面、系统掌握了这四个方面的知识，才能在日常的施工管理工作中做到游刃有余。下面将对工程建设全寿命周期的几个阶段的知识体系进行分析。

建设工程管理的平台体系分为四个子体系，每个子体系都是非常重要的，且它们相互间也有着十分密切的联系。同样，要做好建设工程管理工作也需要这四个方面的支撑。

3.1.2 构建建设工程管理“四个平台”体系的必要性

在上节中已经介绍了建设工程管理的“四个平台”体系，本节将从工程实际出发介绍建设工程管理“四个平台”体系的必要性，下面将分别介绍工程技术平台、管理平台、经济平台以及法律平台的必要性。

(1)工程技术平台的必要性

工程技术平台主要是回答“怎么去做”工程，也是建设工程管理的基础与核心。除此之外，把施工图纸变成宏伟蓝图和在工程建设过程中采取的技术方法与手段以及满足工程要求的技术性能等都离不开工程技术的指导与支持。因此，要完成工程就必须对各项工程技术有很好的掌握。工程技术又分为工程结构、工程材料和工程施工等部分内容。

(2)管理平台的必要性

管理平台主要是回答“怎样去实现目标”，也就是通过管理手段来实现工程的目标，具体的手段是计划、组织、协调与控制。由于工程项目的复杂性，所以必须有强有力的管理才能保证工程建设顺利实施，最终实现工程建设的目标。工程从构思开始到建设完成，有许多工程专业活动和管理活动。工程建设是由成千上万个工程专业活动和管理活动构成的过程。这些活动有各种各样的性质，要取得一个工程的成功，必须按照工程的目标，将各个活动通过计划合理的安排，从而形成一个高效、有序、协调的过程，才不致出现混乱。并且还应在计划的实施过程中不断地检查与控制，及时对出现的偏差进行修正。这一切都是管理的工作内容，因此管理工作在工程建设过程中是非常重要的。

(3)经济平台的必要性

经济平台主要是回答“怎样做更合理”，也就是选择什么样的技术方案能使工程项目的经济效益最好。经济效益包括财务效益与国民经济效益。工程项目的目标不仅追求工程按时建成和运营，实现使用功能，而且还要取得相应的经济效益。从工程的构思开始，经过工程建成投入运营，直到工程结束，人们面临许多经济问题。工程技术的选择、工程的融资方案、工期安排都会对工程的建设成本(投资、费用)、工程的质量、进度等产生影响，进而会影响工程的经济效益。工程经济又分为工程项目的经济性与适用性。

(4)法律平台的必要性

法律平台主要是回答“依据是什么”，也就是在工程建设的各个领域都必须以法律法规为依据。由于工程建设具有投资额大、持续时间长、结构复杂、多方参与主体以及存在较大的不确定性的特点，工程建设承担着很大的社会责任和历史责任。特别是在工程建设的实施过程中，需要多方参与主体(如建设单位、设计单位、监理单位、承包商、分包商、政府监督机构)密切配合才能完成工程任务，而多方参与主体共同完成工程任务的前提基础就在于以法律作为各方行动的准则。因此，为保证工程的顺利进行，保护工程相关者各方面的利益，必须要有强有力的法律作为保障。

3.2 工程技术平台

技术是根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种生产工艺、作业方法、操作技能、设备装置的总和。当今社会，科学技术对社会经济发展有着巨大的、深刻的、全面的影响。近半个世纪以来，随着科学技术突飞猛进地发展和科技成果的广泛应用，不仅社会生产力以前所未有的速度发展，而且科学技术已渗透到包括建筑工程领域在内的社会生活的各个领域。“工程技术”在建设工程管理中占有十分重要的地位，是区别建设工程管理与其他管理类学科的突出标志。

建筑是建筑物和构筑物的统称。具体而言，供人们进行生产、生活或其他活动的房屋或场所称为建筑物，如住宅、医院、学校、商店等；人们不能直接在其内进行生产、生活的建筑称为构筑物，如水塔、烟囱、桥梁、堤坝、纪念碑等。建筑从根本上看由三个基本要素构成，即建筑功能、建筑物质技术条件和建筑形象，简称“建筑三要素”。与大多数形式和功能较为单一的产品不同，建筑要表现空间形式，同时它又被感受为一种总体环境。建筑产品往往既是综合的，又是具体的；它既有固定的形体，又具有无形的综合影响力。

3.2.1 工程基本结构

建筑物存在的基本条件是能够承受作用其上的各种荷载而不破坏或影响正常使用。例如房屋除了抵抗自重作用外，还要抵抗设备、人群荷载，风、雪荷载和地震作用。工程结构必须满足外部荷载的需要，它通过不同的应力状态或变形行为承受外部作用，将其所承受的荷载传至其支承结构，再传至基础，通过基础传至地基。

工程结构分析的基本原理可以概括为分解、简化、组合三个过程。通过分解，工程结构体系都可以转化为板、梁、柱、拱等简单的基本结构体系，把三维的结构构件尽量转化为二维、一维或者更为简单的受力形式以便加以组合，形成完整的可知的体系。

合理地运用技术方法，可以使工程在结构上不断优化，从而使工程整体达到理想的效果。当今世界出现了大量结构与建筑美观相结合的优秀建筑，“力”与“美”的结合在这些建筑中得以良好的体现。

土木工程的基本结构形式有以下几种：

板、梁和柱结构；拱结构；桁架结构；框架结构；钢结构。

本节主要沿着历史介绍各种结构的发展脉络，中间穿插材料、高度、受力诸角度。此

外，还将介绍施工技术发展的进程。

1.19世纪房屋结构的发展

(1)金属结构的崛起

土木工程在结构上取得革命性突破，往往在于新材料的应用。近现代结构工程的开启，可以归于金属材料首次成为房屋结构主体材料，改变了西方世界长期以砖石为主结构材料的面貌。

水晶宫与铸铁结构的建设是世界结构工程界的一个里程碑事件。

1849年，当时的英国经过工业革命，国力大增，拥有从亚洲到美洲、大洋洲广袤的殖民地，号称“日不落帝国”。军事上击败了欧洲的拿破仑法国和东方的清帝国，成为世界上头号强国。为展示其进步和繁荣，倡议举行一个文明世界的万国博览会(准确名称是伦敦万国工业产品大博览会，即现在的世界博览会)。

为筹备博览会，英国于1850年7月宣布成立一个建筑委员会，开始征集博览会建筑设计方案，共有254个设计方案应征，这些方案大多沿用传统的砖石拱结构，外表庞大而室内狭小，均无法满足博览会要求。官方无奈地从中认可了其中一个方案，也被指连其所需的1500万块砖石也无法赶制，世博会似乎要流产了。眼看“山穷水尽”之时，一个名为约瑟夫·帕克斯顿的园艺师却带来了“柳暗花明”，他曾经受莲叶背面有粗壮的径脉呈环形纵横交错的启发，用铁栏和木制拱肋为结构，用玻璃作为墙和屋面，为朋友搭建了一个新颖的温室。他根据建造这种植物温室的原理，提出了一个全铸铁结构的展馆设计方案——水晶宫，水晶宫结构沿用拱结构形式，其铸铁主肋有点类似哥特教堂的六分拱，但拱顶非尖拱顶而是半圆形拱顶，并增加有一条脊肋。

委员会认为，该方案结构骨架采用铸铁构件拼装而成，建筑结构新颖、简洁明快、建筑构件可以工厂预制，建成后的建筑本身就是工业文明的绝佳展示，施工快捷、布展面积大、基础荷载小、成本低廉，因而被委员会采纳。

图3.1 英国水晶宫图3.2 巴黎埃菲尔铁塔

展览馆建于伦敦海德公园内，建筑宽约124米，长约564米，共5跨，高3层，建筑面积约7.4万m2，相当于梵蒂冈圣彼得大教堂的4倍，大部分为铸铁结构，全部支柱的截面积只

占总建筑面积的1%，共用去铁柱3300根，铁梁2300根，玻璃9.3万m2，9个月全部完工，成为当时世界上最大的单体建筑。外墙和屋面均为玻璃，整个建筑通体透明，宽敞明亮，故被誉为“水晶宫”。

1851年5月1日伦敦世界博览会开幕，来自世界各地的600万参观者都异口同声地赞扬金属架玻璃形成的广阔透明空间、不辨内外、目极天际以及莫测远近的气氛。这种特色是任何传统建筑所达不到的境界，无人不欣赏这一奇观。水晶宫在新材料和新技术的运用上达到了一个新高度，实现了形式与结构、形式与功能的统一，向人们预示了一种新的建筑美学质量，其特点就是轻、光、透、薄，开辟了建筑形式的新纪元。有人描写在水晶宫里的感觉如同“仲夏夜之梦”，清朝官员张德彝在参观后曾形容说：“一片晶莹，精彩眩目，高华名贵，璀璨可观。”相信是贴切精当的描写！

约瑟夫·帕克斯顿因为水晶宫设计而被女王册封为爵士。分析帕克斯顿成功的原因，应该说，维多利亚时代英国雄厚的工业实力为其方案的实现提供了基础，1850年，英国的钢铁年产量达到了250万t，以往全铸铁的结构只用在为实现跨度而不得不用铁的桥梁，现在终于开始大规模应用在房屋结构上了。另外，传统的建筑师习惯于自己的职业经验，往往在不知不觉中因循守旧，对新事物反应迟钝，从这个角度说，帕克斯顿在建筑业上的外行恰恰帮了他的忙。

水晶宫几乎成为永久建筑。1852年，其被移至肯特郡的塞登哈姆重新组装，1866年历经一次火灾后修复，1936年再次失火后彻底被毁。历经水晶宫的成功后，铸铁结构此后一发不可收拾，在欧洲被广泛用于火车站等需要较大公共空间的建筑。

埃菲尔铁塔虽然不属于房屋范畴，但是其在结构上的地位如此重要，是世界建筑史上具有划时代意义的伟大建筑。1884年法国政府为了庆祝1789年法国大革命100周年，决定举办世界工业博览会并兴建一座纪念建筑。当时参加这一建筑设计竞赛的方案有700多个。评委最后评定：法国埃菲尔公司设计的铁塔完全符合要求。

埃菲尔公司的老板亚历山大·古斯塔夫·埃菲尔是从事金属建筑研究和建造的著名工程师。1876年美国建国百周年时法国政府赠送的礼物——纽约自由女神像，其中的金属骨架就是埃菲尔的杰作。当法国大革命百年纪念物竞赛征稿时，埃菲尔本人忙于一座金属铁路桥的事物，将竞标之事委托下属，其公司里两位年轻人拿出了一个创意方案——铁塔。起初该方案埃菲尔本人并不看好，但由于没有其他更好的替代品，只能以之提交评委会，不料被一举选中。埃菲尔与两位年轻人达成协议，以博览会所付工程款的百分之一作为交换条件，换取两位年轻人创意的署名权，此后的设计由埃菲尔完成。

埃菲尔为铁塔安装提供了1700多张施工图，还为生产厂家提供了3000多张加工图。铁塔于1887年11月26日动工，于1889年3月31日竣工，历时21个月。塔原高300米(1959年在塔顶增设天线后增至320.7米)。除了4座塔墩是石砌的外，塔身全为钢铁结构，重达7000多吨。整个铁塔的大小钢铁构件共有18038件，全靠250万只铆钉铆成一体。铁塔底部有4条向外撑开的塔腿，在地面上形成每边长100米的正方形。塔腿分别由石砌墩座支起，地下有混凝土基础。整个塔身自下而上逐渐收缩，形成优美的轮廓线。在距地面57、115、276米处分别设置平台。平台由巨大的钢桁架梁支撑，自底部到塔顶的步梯共有1710踏步。建塔时安装了以蒸汽为动力的升降机，后改为可容50～100人的大电梯。步入平台，整个巴黎尽收眼底。天气晴朗时，从第三层平台上可以远眺80公里以外的自然风光。埃菲尔铁塔成为继埃及金

字塔之后人类完成的最高建筑，落成之日，埃菲尔骄傲地向世人宣称，世界上只有法国的国旗具有300米高的旗杆。

(2)钢筋混凝土结构的诞生

19世纪土木工程界的另一项革命性突破是钢筋混凝土结构的诞生和发展应用。

钢筋混凝土是其中埋置有钢筋或钢丝网的混凝土结构。1824年水泥发明后，人们发现水泥混凝土承受压力的能力非常高，而抗拉、抗裂能力非常差。第一个试图用钢铁材料改善混凝土性能的是法国花卉商莫尼尔(Joseph Monier)。1849年，他开始用水泥覆盖钢丝网制造水盆和花盆；但因为对力学知识的缺乏，他最初是把钢丝网放在截面的中央，没有让钢丝处于抗拉的合理位置，后来他对错误的做法进行了改进。1867年他在巴黎展览会上展示了他的改进做法并取得在混凝土内放上纵横铁条的专利权：铁条承受张力而混凝土则承受压力。这一方法一直沿用至今。

莫尼尔等人的钢筋混凝土在用于结构时是以梁、板等构件形式制作，然后再组装使用。

纵观19世纪，房屋建筑技术方面取得的主要成就，除了铸铁、钢铁和混凝土成为重要的结构材料之外，还在地基基础工程、配套建筑设备、房屋发展到高层结构等方面取得了突破进展。结构形式方面出现了钢桁架、钢拱架、钢铁框架、钢筋混凝土框架等。应该说明，高层建筑在当时主要建造于美国，集中于芝加哥地区，后来发展到纽约。而欧洲出于对自己千年传统的尊重，当时是很少发展新式高层结构的。埃菲尔铁塔的建造在当时也引来一片反对声，例如法国著名的作家莫泊桑就声称如不拆除铁塔就将流亡国外，可见保守的欧洲对现代高层建筑的态度。

2.20世纪房屋结构的发展

(1)钢筋混凝土结构的发展

如果说19世纪钢筋混凝土结构仅仅是崭露头角，那么进入20世纪，混凝土则替代砖石材料成为工业与民用建筑的主要用材。钢筋混凝土也拓展了其能力和应用领域。混凝土结构取得巨大突破首先表现在其跨度的增加和发明预应力混凝土。

1916年，处于第一次世界大战中的法国在Orly地区用钢筋混凝土修建了一个大跨度的飞艇库，为达到跨越大空间的目的，只能采用使混凝土接近完全受压的拱券结构形式。构成飞艇库的拱券跨度达到96米，高度达58米，这是钢筋混凝土房屋达到的前所未有的跨度。

上述飞艇库的设计者是当时被法军征召担任军队土木工程师的奥杰恩·佛莱辛奈(Eugene Freyssinet)。此人一生在混凝土结构领域贡献多多，其中最大的贡献是发明了预应力混凝土。

预应力混凝土的发明源于人们对混凝土结构跨度的不懈追求。钢筋混凝土梁具有带缝工作的特点，混凝土受拉开裂后，钢筋混凝土梁的刚度(抵抗变形的能力)下降幅度非常大，所以钢筋混凝土梁式构件跨越空间距离的能力非常有限。

20世纪20年代，从军队退役的佛莱辛奈继续他的土木工程师生涯，致力于完成使梁式混凝土构件免于受拉开裂的设想：给混凝土施加预压应力。在研究中，他确定了两个基本问题：①混凝土的收缩徐变对于预应力损失值有巨大影响，并得出徐变的初步规律；②为了有足够富裕的预应力值来抵消各种原因的预应力损失，必须采用高强度材料和高预应力。基于这种认识，他创造出了能在混凝土中建立有效的预应力的方法。1928年，佛莱辛奈将

混凝土徐变理论系统化之后申报了专利。所以，许多史料把这一年称为预应力混凝土发明的时间。佛莱辛奈在预应力混凝土桥梁方面做出了许多杰出工作，是预应力混凝土的主要先驱，甚至被誉为预应力混凝土之父。

预应力混凝土出现后，在混凝土跨越大空间的场合，例如桥梁、高层建筑的楼盖等，以及需要防止混凝土受拉开裂的场合，例如水池、筒仓等，都会使用预应力技术。

钢筋混凝土的设计理论也在20世纪上半叶取得巨大突破。

钢筋混凝土出现后直到20世纪初，钢筋混凝土结构的设计计算一直按照弹性理论进行，既不考虑混凝土开裂也不考虑截面上的塑性，依据材料力学的方法分析截面应力，认为截面上任意一点的应力达到某一允许应力，构件即告破坏，因此，允许应力的确定非常关键。

直到20世纪30年代，苏联著名的混凝土结构专家格沃滋捷夫提出了考虑混凝土和钢筋塑性性能的破坏阶段设计法。以梁为例，该理论认为当受拉钢筋进入屈服阶段后可以持续变形，混凝土受压应力也可以进入塑性阶段，梁可以持续承载一直达到梁的承载极限。以梁达到承载极限时截面上的应力分布作为梁的设计依据。1938年，苏联颁布了世界上第一部按照破坏阶段设计钢筋混凝土的规范。

1955年，苏联又颁布了更先进的极限状态设计法，它的设计思想是：钢筋混凝土结构应该按照不同的使用功能，取不同的状态作为极限状态(即设计的依据)。例如，如果结构是盛水的蓄水池，就要满足不漏水的功能，按照水池不裂要求，就应该取混凝土开裂作为其极限状态，设计计算就应该按照混凝土开裂时刻的截面应力分析进行。如果计算一块承担精密机床的钢筋混凝土楼板，由于考虑到楼板变形过大可能导致机床精密度下降，按照变形要求，可能就应该取钢筋应力达到屈服强度作为其极限状态。在房屋结构领域，极限状态设计法普遍为人们采用至今；而在某些领域，例如铁路桥梁，依然按照弹性理论设计。

(2)摩天大楼的建造

20世纪，结构工程取得的又一项杰出成就是摩天大楼的建造。摩天大楼在结构上就是所谓超高层结构。英文单词“skyscraper”中的“scraper”，是诸如擦窗器这样的刮、擦器具之意，故整个单词的原意是“擦拭天空”。那么摩天大楼究竟是什么时候出现的？考虑到1898年纽约建成19世纪最高楼为26层，接近百米的高度，而现在往往把30层楼高作为一个界限，可以认为，摩天大楼是20世纪初正式诞生的。

在20世纪初，纽约曼哈顿地区出现了修建世界最高楼的竞赛。1908年，44层、187米高的大楼诞生于生产缝纫机的胜家公司；1911年就诞生了纽约都会保险公司大楼，其50层高达213米；1913年，零售业巨头伍尔沃思公司部分出于对早年向纽约都会保险公司贷款被拒的报复，建造了57层、高234米的大楼，从后者头上夺走了世界第一高楼的桂冠。

下一个在结构高度上的里程碑是美国纽约帝国大厦(Empire StateBuilding)。帝国大厦始建于1930年，矗立在纽约曼哈顿岛，俯瞰整个纽约市区，成为纽约，乃至整个美国历史上的里程碑。它能有这样的高度是美国两大汽车制造商竞争的结果。克莱斯勒汽车公司和通用汽车公司相互竞争，看谁能建最高的楼房。克莱斯勒大厦先于通用公司动工，后者决定奋起直追。

通用汽车公司最初的计划是建一幢看上去低矮结实的34层大厦，后来经过16次修改，最后才采纳了“铅笔形”(pencil shape)帝国大厦方案，为迷惑克莱斯勒公司，建造前通用公司故意宣布大楼高度为“接近300米”。而实际上大厦共计102层，高度381米，这一高度

上的记录直到1973年纽约世贸中心(110层，417米)落成才被打破。

帝国大厦从方案确定到建筑落成不到两年时间。之所以能获得如此之高的建设速度，归功于采取了两项措施：首先，承包商采用了边设计边施工的作法，这种作法在当时非常前卫，在建筑物完整的设计图出炉之前先行动工，即下面的楼层开始架设结构时，建筑师连最上面几层楼的施工图都没有画好。其次，帝国大厦在结构上采用了钢骨混凝土这种结构形式，即型钢以铆拴连接成框架梁柱，再外支模浇筑混凝土，形成所谓钢骨混凝土结构，因为型钢组成的钢框架本身可承重，楼层的增高不必等待混凝土的强度生长，因此当时帝国大厦的建设速度是每星期建四层半，施工速度惊人。

大楼安装了73部电梯，这些电梯的电梯间构成相对比较封闭的钢骨混凝土筒体，有很大的抗侧移刚度，筒体的外围是多圈框架柱，这种结构体系在高层结构中称为框架——筒体结构。

图3.3 世界八大著名建筑(从左至右)：帝国大厦、台北101、埃菲尔铁塔、多伦多电视塔、

上海环球金融中心、迪拜塔、广州电视观光塔、自由塔

整座大厦于1931年5月1日落成启用，造价比预计的5000万美元减少了10%，所用装饰材料包括5660m3的印第安纳州石灰岩和花岗岩，1000万块砖，730吨铝和不锈钢。

帝国大厦迄今为止已存在了八十余年，其结构形式经受住了时间和灾难的考验。1945年7月28日，一架雾中迷航的美空军B-25轰炸机以每小时320公里的速度撞入帝国大厦78～79层，造成一个宽5.5米、高6米的大洞，并引发从第79层一直蔓延到86层的大火，造成13人死亡和26人受伤，但大楼巍然不动，说明帝国大厦的结构形式非常合理，钢结构外包裹的混凝土有效地起到了保护钢结构的作用。比较之40年后建造的世贸中心大楼，其采用全钢框架结构而没有外包混凝土，在2001年的9·11事件中被波音757客机撞击并引发大火，钢材在温度达到600℃时丧失承载力，结构终于被上覆的重量压塌，由此引发结构界对摩天大楼结构形式的反思。

进入20世纪80～90年代，摩天大楼不再是发达国家的专利，一些二战后摆脱殖民地、半殖民地地位的新兴工业国家和地区为展示国家和地区经济实力，开始建造摩天大楼。马来西亚建造了著名的双子星塔楼，我国香港地区建造了国际金融中心大厦(二期)，台湾地区建造了台北101大楼，大陆地区也建造了上海环球金融中心和金茂大厦、深圳地王大厦等摩天楼。

改革开放三十余年来，中国大陆地区经济高速发展，国力大增，已经成为国际上高层建筑和超高层建筑的最大市场。

世界八大著名建筑摩天大楼参见图3.3。

(3)大跨空间结构的发展

在19世纪和20世纪初期，用结构跨越较大空间的手段是由平面桁架或平面拱架在一个方向上获得较大跨度。之所以采用平面结构，是因为空间结构计算复杂，当时人类的计算分析手段尚不能精确计算之。当计算理论和计算手段取得突破之后，人们越来越青睐于用空间结构解决问题。

空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在多向受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。

图3.4 穹隆结构

穹隆是人类在古罗马时期就使用过的空间结构形式，其受力合理，只需要很少的材料就能实现大的跨度，但现代水泥混凝土发明之后，混凝土穹顶屋面并没有呈燎原之势，这主要因为其对模板的消耗太大，见图3.4。1957年，在古代穹顶屋面的诞生地罗马，又诞生了一座在世界土木工程界非常著名的穹顶建筑——罗马体育馆。该建筑实现了建筑与结构

的完美结合，若干Y字形斜腿支撑着优雅的穹顶，此穹顶不是混凝土现浇完成，而是由预制的钢筋混凝土肋梁拼成复杂的相交曲线后再拼装盖板，穹顶内部构图非常优美。

混凝土预制构件的可加工性毕竟不如钢材，而且相同重量的混凝土材料对强度的贡献也远小于钢材，因此，罗马体育馆这样的混凝土大跨结构并不普遍，空间结构更多地采用钢材，主要结构形式有网架、网壳、悬索等。

(4)现代砌体结构

与传统的砖石结构比较，现代砌体结构的面貌发生了非常大的变化。首先是砌筑材料不再限于砖石，各种空心砖和砌块成为材料的主体。更重要的是，砌筑方式也发生了巨大变化。

为解决传统的砖石结构墙厚、抗震能力差的问题，现在国内外的砌体结构一般都会利用钢筋的强度和韧性。有的是空心砖内放置钢筋，砌筑之后在空心砖孔内浇筑细石混凝土。有的是在砌筑时砌出柱孔洞，放置钢筋后在孔洞内浇筑混凝土。我国的一般做法是将钢筋混凝土楼板与钢筋混凝土的圈梁、构造柱浇筑成整体，使得按照构造配筋的钢筋混凝土梁、柱在砌体结构中形成假框架结构。这样的砌体结构在地震作用下，即使出现裂缝和很大的变形，也不至于立刻垮塌，有机会让居民安全出逃。

(5)现代木结构

现代木结构的突出特点是用材的改变。从本书前面章节我们知道，传统木结构对木材要求很高，中国在清代粗大木材日渐稀少的情况下，木材粘合使用的概念初步形成。一些木柱用小尺寸仿木材料拼合，由牛筋熬制的有机胶粘接后，再用金属箍箍成一个整体的柱子。这样的木柱外表再用腻子和油漆装饰，从外观上看不出拼合痕迹。但是这种粘接拼合不能在垂直于木纤维的截面上进行，因此，木材纵向上有节疤等缺陷时无法截断粘接。

而现代木结构广泛使用工程木产品(Engineered Wood Product)，包括层板胶合木、木基结构板材和结构复合木材。现代木结构呈现工厂化的趋势和特点。

案例3.1 重庆菜园坝长江大桥

重庆菜园坝长江大桥(图3.5)是目前国内最大的公共交通和城市轻轨两用大跨度拱桥，为钢桁架拱结构，主跨420m，为中国第二大跨度拱桥，钢结构总重18000t。该桥结构形式采用中承式无推力钢管混凝土系杆拱桥，是集钢管拱、钢箱梁、钢桁梁各种新型桥梁结构形式和科技成果于一身的现代化桥梁，这种结构形式不仅在我国绝无仅有，而且在世界桥梁中也具有独特的地位。大桥于2007年10月29日建成通车。

图3.5 重庆菜园坝长江大桥图3.6 国家体育场(鸟巢)

Y型混凝土钢构与提篮式钢箱系杆拱和钢桁梁组成，主跨420m，“公路＋轻轨”两用桥跨度居世界同类桥梁之首；主桥采用特殊智能化主动控制体系，确保主体结构施工的内力和稳定，该技术在国内是首次应用；独特的主桁体系和安装方法属全国首创，其中钢梁整体节段拼装，节段最大重量360t；Y型结构施工难度及支架工程规模，居全国之首；边侧孔钢桁梁安装支架难度和规模属全国第一；用于起吊的缆索吊机高达152m，从地面起算达202m，跨度达420m，规模居全国第一。

案例3.2 国家体育场“鸟巢”工程

国家体育场“鸟巢”(图3.6)是2008年北京奥运会主体育场。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。它是由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个“摇篮”，寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。

“鸟巢”以巨大的钢网围合、覆盖着能容纳9.1万人的体育场，观光楼梯自然地成为结构的延伸，立柱消失了，均匀受力的网如树枝般没有明确的指向，让人感到每一个座位都是平等的，臵身其中如同回到森林；把阳光滤成漫射状的充气膜，使体育场告别了日照阴影，整个地形隆起4m，内部作附属设施，避免了下挖土方所需的巨额费用。

“鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均具有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技的支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万t，最大跨度343m，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，建造后的沉降、变形、吊装等问题逐步解决，相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。

3.2.2 工程材料

材料是构成建筑物的物质因素，其费用占工程投资的比例高达60％～70%。了解、掌握材料的基本性能、使用方法与造价，对保证工程质量、加强财务管理、历行节约、实现资源的优化配置、达到投资最佳效益，是十分必要的。但是在本书的学习阶段，则主要学习了解材料的划分、一般功能、与土木工程有关的一般要求，以及它们的一些历史渊源。

土木工程材料的范畴可以非常宽泛，从夯土、水到金属，土木工程几乎无其不用，但是习惯上，人们还是更关注按照建筑物的使用要求，体现出具体形态和使用性能的材料。例如混凝土少不了使用水，但是人们更关注在建筑使用时体现出性能的混凝土材料，而不会把水列为建筑材料。材料依照其在建筑物上的使用性能，大体可分为：①墙体围护材料；

②建筑结构材料；③建筑功能材料。

1.墙体围护材料

(1)黏土制品

砖、瓦属于建筑用陶，中国最早的建筑陶器是陶水管。到西周初期又创新出了板瓦、筒瓦等。老百姓习惯上说“秦砖汉瓦”，其实，历史上是先有瓦后有砖的。中国最早的砖发现于陕西扶风云塘的西周晚期灰坑中，此类砖用于贴筑土墙表面，只起保护和装饰作用而

无承重作用。砖的普遍使用在春秋战国时期，所谓“秦砖汉瓦”，指其开始制式生产的年代。

从工艺上说，黏土砖、瓦是以黏土为主要原料，经过成型、干燥、烧制而成的墙体与屋面材料。烧制的燃料早期是柴草，现代主要用煤。黏土砖瓦制作简便，分为机制和人工制作两种，缺点是它与农争田，耗煤量也大。

普通黏土砖外观形状为直角平面六面体。由于其生产耗能毁田，使用时墙体保温节能性能也不好，因此，国家规定在城市将其逐步淘汰，代之以黏土空心砖或砌块。

(2)工业废料制品

煤矸石黏土砖是在制作砖坯时掺入一定量的煤矸石，烧焙时矸石也能发出一定热量，可节约燃料，且节约黏土和堆放煤矸石的用地，因此，生产煤矸石砖是利国利民的好事。但是如果砖的运输费用过高，产品将不具有竞争力，生产煤矸石砖的砖厂应尽量靠近大量用砖的城市，故煤矸石砖厂一般只能建在产煤城市或靠近水运码头。

砌块是一种新型的墙体材料，由砂、卵石和水泥加水搅拌后在模具内振动加工成型，或用煤渣、煤矸石等工业废料加石灰、石膏经搅拌、轮碾、振动成型后再经蒸养而成。

黏土砖制作不仅毁田取土，且耗煤量大。砌块则不然，不但不须取土、不占耕地，而且消耗废渣，可以大大节约能源。砌块制作方便，设备简单，建厂投资少，由于砌块尺寸大，用砌块砌筑工效较高。

(3)新型轻质墙体

近年来应用较多的轻型墙板有泰柏板和压型钢板墙板。

2.建筑结构材料

(1)胶凝材料

能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒材料(如砂、石等)或块、片状材料(如砖、石块等)胶结成整体的物质，称为胶凝材料。

胶凝材料根据硬化条件可分为气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料。

只能在空气中硬化，并且只能在空气中保持或发展其强度的胶凝材料称为气硬性胶凝材料，如石膏、石灰等。如果胶结材料在凝结硬化过程中，不仅能在空气中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，称为水硬性胶凝材料。这类材料主要是水泥，它的强度主要是在水的作用下产生的。

在中国古建筑中，常用石灰作胶凝材料使用。在周朝已使用石灰修筑帝王的陵墓。从周朝至南北朝时期，人们以石灰、黄土和细砂的混合物作夯土墙或土坯墙的抹面，或制作居室和墓道的地坪。据史料记载：南宋乾道六年(1170年)在修筑和州城时，采用了糯米汁与石灰的混合物作胶凝材料；明代的南京城，其砖石城垣的重要部位即是以石灰加糯米汁作为灌浆材料。此外，在古建筑中常以血料—石灰和桐油—石灰等用作腻子。

1824年，一个英国泥瓦匠约瑟夫·阿斯普丁通过反复试验，摸索出了用石灰石与黏土混合烧制成水泥的最佳配比，其产物硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被阿斯普丁命名为波特兰水泥。经过申请，阿斯普丁获得了波特兰水泥的发明专利权。波特兰水泥就是目前应用最广泛的硅酸盐水泥。

水泥是现代最重要的建筑材料之一，也是使用最广泛的人造胶凝材料。其或者与砂、水按照一定比例混合均匀构成砂浆，或者与砂、石子、水及其他掺合料按照一定比例混合

均匀构成混凝土。目前我国是世界水泥生产第一大国，水泥产量接近世界总产量的50%，2010全年水泥产量达到18.7亿t。除硅酸盐水泥外，水泥按照成份还可分为火山灰水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐水泥等。

混凝土是目前世界上使用最广泛的人造材料，全世界混凝土的年产量达到60亿t，地球人平均每人1t多。美国的混凝土年产量达到美国人均2.5t；我国混凝土年产量达到我国人均近2t。

普通混凝土由水泥、砂、石和水所组成。在混凝土中，砂、石起骨架作用，故称为骨料。水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥砂桨起润滑作用，赋予混合物一定流动性，以便于施工。水泥砂浆硬化后，则将骨料胶结成一个坚实的整体，混凝土形成强度。

混凝土之所以为人类所青睐，除了其像石材一样耐久和能保证相当高的强度外，主要原因之一是它的可塑性，它几乎可以按照人类的要求塑造成任意形状。而要保证其可塑造性，就要求混凝土在施工阶段具有相当的流动性。

混凝土拌合物经硬化后，应达到规定的强度要求。混凝土的抗拉强度比较低，通常只有抗压强度的1/8～1/10，所以混凝土适合于承压而不适合直接承拉。一般说的混凝土强度，指的是混凝土抗压强度。

现代混凝土普遍由专门的商品混凝土搅拌站配制，混凝土在搅拌楼中搅拌，然后出料装入混凝土搅拌车。搅拌车将混凝土运送至工地，运送过程中不断搅拌以免混凝土凝结硬化。到达工地后再由泵车将混凝土泵送到所需楼层，因此，必须保证混凝土具有卓越的流动性。

此外，混凝土科学的发展还可以为人类提供各种特种混凝土。例如：将纤维掺入混凝土中获得抗裂性能比较好的纤维混凝土；将聚合物掺入混凝土中获得抗渗性能比较好的聚合物混凝土；将陶粒或者其他轻型骨料替代普通石子配制出来的轻骨料混凝土；可以抵抗高温的耐火混凝土；可以减少辐射剂量的防辐射混凝土等。

水泥属于无机胶凝材料，现代土木工程还常用一种有机胶凝材料——沥青，它在一定温度条件下硬化。沥青—砂—细石子三组分的沥青混凝土是上好的路面结构材料。

(2)建筑钢材

建筑钢材要求有一定的强度、变形能力、可焊接能力和耐候能力。由于用量大，价格也不能太过昂贵。

在18世纪以前，由于生产工艺落后导致价格昂贵，人类除了在极个别场合，例如桥梁等之外，是很少使用钢铁作为建筑材料的。工业革命后，由于炼铁产量增加，铸铁开始成为人们可选择的建筑结构材料。但是铸铁固有的脆性使得对其使用有诸多限制。如果使用锻铁(红热状态下不断捶击，类似铁匠用锤打制铁具)，性能有所提高，但造价高昂。

19世纪50年代，英国工程师贝塞麦注意到在设有鼓风设备的炉中熔化铁时，空气可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低碳钢。于是，他采用风管从底部吹炼坩埚中的铁水，这样首先将铁水中的锰和硅氧化，形成褐色烟雾逸出，在这期间，铁水中的碳也被氧化成二氧化碳。二氧化碳等气体逸出钢液时反应非常剧烈，气泡逸出像火山爆发一样(这样炼出的钢被称为沸腾钢)。这样，钢水内残留的碳元素含量大为降低，整个过程约30分钟，而且不需要任何燃料就可以炼一炉钢。接着，他将炼钢炉从固定式结构改为可向一侧倾倒，以使

炼好的钢水易于倒出，使炼钢炉成为可转动的炉，即转炉。这就是贝塞麦转炉炼钢法。该法于1856年获得专利。贝塞麦法的诞生标志着早期工业革命的“铁时代”向“钢时代”的演变。不仅在冶金发展史上具有划时代的意义，也深刻地改变了土木工程的面貌。

钢材按照成分可以分为碳钢和合金钢。碳钢按照含碳量的高低分为高碳钢、中碳钢、低碳钢。碳含量越高钢材强度越高，但是变形能力和可焊接能力就越差，因此，建筑用碳钢一般是低碳钢。合金钢中合金含量高性能就好，但会严重影响价格，故一般建筑用合金钢是低合金钢。

钢结构的梁和柱，可以由大、中、小型型钢，冷弯型钢或者钢管担任，也可以由厚钢板、薄钢板焊接形成。一般把截面焊成“工”、“口”形。

需要说明的是，钢材是唯一一种可以几乎全部回收使用的建筑材料。当被2000℃高温熔化时，钢材就失去了从前的记忆，可以被制造成另一种完全不同的东西，因此其被视为不可替代的绿色建材。

(3)木材

木材是由树皮、木质部和髓心等部分组成。木质部是木材的主体。髓心在树干中心，质地松软、强度低、易腐朽、易开裂，对材质要求高的用材，不得带有髓心。在横切面上深浅相间的同心环称为年轮。

对木材物理力学性质影响最大的是含水率。一般我们希望含水率低于一个临界值，这样不至于影响强度和胀缩性能。

木材是非常明显的各向异性材料，以木材直接作结构材料要注意其力学性能的方向性。

3.建筑功能材料

(1)防水材料

沥青作为防水材料使用的历史已有数千年。古巴比伦修筑空中花园时，每一层都铺上浸透沥青的柳条垫，上面再铺两层砖头，再浇铸铅水，以防渗水。然后铺上肥沃的泥土，种上奇花异草。但是古罗马后这种技术一度失传，现代大规模使用沥青则是始于19世纪。沥青与许多材料表面有良好的粘结力，它不仅能粘附在矿物材料表面上，而且能粘附在木材、钢铁等材料表面，是一种憎水性材料，几乎不溶于水，而且构造密实，是建筑工程中应用最广的一种防水材料。

目前，建筑屋面和地下室防水常采用防水卷材。防水卷材有无胎和有胎之分。

(2)保温材料

在建筑和工业中采用良好的保温技术与材料，往往能起到事半功倍的效果。统计表明，建筑中每使用一吨矿物棉绝热制品，一年可节约一当量吨石油。采用良好的绝热措施与材料，可显著降低采暖与空调能耗，改善居住环境，同时有较好的经济效益。

膨胀珍珠岩是一种常用保温材料，其来源于一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产，包括珍珠岩、松脂岩和黑耀岩。由于在1000℃～1300℃高温条件下其体积迅速膨胀4～30倍呈米花状，故统称为膨胀珍珠岩。一般要求膨胀倍数大于7～10倍，用作高效保温、保冷填充材料。类似的材料还有蛭石，蛭石原矿经过高温焙烧其体积可迅速膨胀8～10倍，膨胀后的密度为130～180kg/m3，具有很强的保温隔热性能。我国北方地区常采用膨胀珍珠岩或膨胀蛭石作为骨料，浇筑成膨胀珍珠岩混凝土或膨胀蛭石混凝土作为屋面保温层。

矿物棉也称岩棉，是一种优质的保温材料。1840年英国首先发现融化的矿渣喷吹后形成纤维，可以生产出矿渣棉。20世纪30年代，世界发达国家开始大规模生产和应用岩棉；1960～1980年，世界各国矿物棉发展最为迅猛；1980年以后国际上矿物棉制品的产量维持在年产量约800万t左右。产量不再增加的主要原因是其他保温材料如玻璃棉、泡沫塑料发展加快。矿物棉在建筑保温中应用最为广泛，据20世纪90年代统计，在发达国家占70％～90％不等。我国于20世纪80年代初在北京引进瑞典生产线开始生产，目前大量使用。

玻璃棉是继岩棉之后出现的一种性能优越的保温、隔热、吸声材料。生产时将熔融状态的玻璃用离心喷吹法工艺进行纤维化并喷涂热固性树脂制成的丝状材料，再经过热固化深加工处理。它具有不燃、无毒、耐腐蚀、容重小、导热系数低、化学稳定性强、吸湿率低、憎水性好等诸多优点。该材料可制成不同密度的制品，低密度的毡，中、高密度的板和管，其保温隔热、吸声降噪效果十分显著。

泡沫塑料是以合成树脂为基础制成的，内部具有无数小孔的塑料制品，主要产品为聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨醋泡沫塑料。泡沫塑料具有导热系数低，可加工成任意形状等优点，原来主要用于包装行业(如冰箱)、地下直埋管道保温、冷库保冷，目前在建筑领域开始应用，例如近年来用于钢丝网夹芯板材(泰柏板)、彩色钢板复合夹心板材，发展较快，但随着建筑防火对材料要求越来越严格，对该材料应用提出了新课题。

(3)装饰材料

装饰材料的装饰性能主要是通过材料的色彩、线形图案和质感来体现的。

装饰石材分为花岗岩和大理石两大类。

马赛克原义为镶嵌、镶嵌图案、镶嵌工艺，发源于古希腊。早期古希腊人的大理石马赛克最常用黑色与白色来相互搭配。到了古罗马时期，马赛克已经普及，一般民宅及公共建筑的地板、墙面都用它来装饰，显示出罗马的富裕及建筑的豪华。基督教最初传到古罗马时属于非法，教徒都是下层民众，由于受到迫害只能在地下室等通道中聚会。于是这些地下室的墙上就有了描述耶稣基督故事的玻璃马赛克壁画。后君士坦丁大帝使基督教合法化，并迁都君士坦丁堡(拜占庭)，拜占庭帝国的教堂都用大量马赛克来装饰美化，使用的色彩愈来愈多。马赛克用于装饰时，由于其单颗的单位面积小，色彩种类繁多，具有无穷的组合方式，因此它能将设计师的造型和设计的灵感表现得淋漓尽致，尽情展现出其独特的艺术魅力和个性气质，现在被广泛应用于宾馆、酒店、酒吧、车站、游泳池、娱乐场所、居家墙地面以及艺术拼花等。

马赛克按照材质可以分为若干不同的种类，玻璃材质的马赛克按照其工艺可以分为机器单面切割、机器双面切割以及手工切割等，非玻璃材质的马赛克按照其材质可以分为陶瓷马赛克、石材马赛克、金属马赛克、夜光马赛克等。

建筑陶瓷在我国使用最早，琉璃瓦就可以被归为建筑陶瓷的范畴。现存世界上最早的琉璃瓦实物见于唐昭陵。从古到今建筑陶瓷一直在高级建筑物上充当装饰材料。目前建筑陶瓷主要用作内外墙面砖、铺地砖和卫生洁具，成为建筑物不可缺少的组成材料。由于建筑陶瓷制品多用于室内建筑装饰，故对于产品辐射防护的安全性显得尤为重要。随着我国人民生活水平的不断提高，我国开始逐渐从西方发达国家引入了环保、健康建材的理念。陶瓷所使用的釉料含有微量的放射性元素，且原材料所含放射性核素的量随着产地的不同而不同，故为保护人体健康，应对产品放射性进行控制。

玻璃也可以被认为是围护材料，其最早的发明者是远在五六千年前的古埃及人，后来传至欧洲大陆。最初人们认为中国的玻璃也是从西方传入的。但1965年，在河南出土了一件商代青釉印纹尊，尊口有深绿厚而透明的五块玻璃釉。

在玻璃作为采光材料之前，英国人和德国人在窗上嵌油纸、涂蜡的白布甚至薄薄的云母片；俄国人则将牛膀胱的薄膜蒙在窗框上；中国人使用最多的是窗纸，还有削磨得很薄的牛角片。在11～13世纪的教堂，其窗玻璃是彩色的，但除非阳光直接照射，基本没有透光功能。直到14世纪，有一个名叫戈克莱的法国技师才发明了一种呈半透明状态的窗玻璃。

过去的玻璃制品是像吹肥皂泡那样吹制出来的，窗用平板玻璃也取自大玻璃泡在冷凝前切开展平，要求高的还要磨平，成品率低，而且这样的玻璃还存在波筋(即透射后物体图像扭曲变形)，为了能够吹出曲率足够小的大玻璃泡，工人需对着吹管持续吹鼓，这样对工人健康的损害非常大。

1952年，英国制造商皮尔金顿(Alistair Pilking-ton)发明了所谓浮法玻璃，它是这样生产的：熔融状态的玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，因为锡液表面平整光滑，玻璃液浮在锡液面上铺开、摊平后，冷却形成上下表面平整光滑的玻璃板，故称浮法生产。但玻璃冷却后须经退火、强化处理改善性能，否则在破碎时形成锋利碎片易伤人。浮法与其他成型方法比较，其优点是：没有波筋，厚度均匀，上下表面平整，单位产品的能耗低，成品利用率高；目前世界上的采光玻璃90％以上是浮法生产的。

油漆涂料是乳状液的总称，通常由悬浮于液体介质中的色素组成，作为装饰或保护性的涂层使用。穴居古人使用天然的油漆给后人留下了他们生活的写照，时至今日，这些天然油漆绘制的岩画仍装饰着他们曾经居住的岩石洞壁。在地中海文明圈，古埃及人、古希腊人和古罗马人都使用过这样的釉料混合物：矿物成分(铜、铁、锰的氧化物)和蛋清、植物油(种类包含亚麻、胡桃、罂粟)。在中国，在距今约7000年的浙江余姚河姆渡文化遗址中出土的朱漆木碗表明了彩漆在我国的悠久历史。而山西陶寺村龙山文化遗址(距今约4350～3950年)中已出现了白灰墙面上刻画的图案，这是我国已知的最古老的居室装饰。我国木制品用漆来自漆树，到战国时期，设有专官对漆器生产进行管理。《史记》记载庄子曾任管理漆园的官职。虽然那个时代用油漆装饰的建筑没有留存下来，但是我们仍然可以从出土的同时代木漆器推测出装饰的水平。两千多年过去，油漆光亮色彩依然。

历史上第一个有记载的油漆工厂是1700年由托马斯·切尔德(Thomas Child)在美国波士顿建立的。1867年，俄亥俄州的爱瓦瑞尔(D.R.Averill)取得了美国第一个精制油漆的专利权。这一阶段，普遍使用了易挥发的稀释剂，油漆成分更加趋向于现代化学油漆了。墙壁的装饰也开始使用添加有胶粘剂的化学墙用涂料，白灰装饰不再出现在较高级的室内装饰场合。

我国普通百姓居家的墙面装饰到20世纪80年代依然普遍使用白灰。至20世纪90年代，当涂料的用户需求由低端产品向中、高端产品转变的关头，由于认识上的误区，各种声称能够复合其他功能的墙用涂料和墙纸一度纷纷出现。例如有的涂料宣传其兼有灭蚊功能，有的宣传其具有通电散热功能，可替代采暖散热片等。其实这样的涂料或者有毒性，或者对能源消耗很大，多不可取。

除了涂料之外，我国的其他建材领域也一直长期存在生产高能耗、环境高污染等问题。随着绿色建筑的观念为人们所接受，人们对材料健康、环保、节能的观念也开始予以关注。

4.绿色建材

人类所使用的材料会对人类健康产生影响，这样的事情在历史上早有实例。古罗马帝国文明高度发达，但是当时的人们热衷于使用含铅的酒具和输水管，经过数代积累引发了普遍的慢性中毒，据有关专家认为，这是古罗马帝国最终灭亡的原因之一。

工业文明之后，人类从自然获取资源的能力大增，但同时也给自然和自身造成了许多诸如环境破坏、资源耗尽、健康受损等方面的问题。通过本章前面的介绍我们了解到，一些材料、尤其是装饰材料使用不当，很容易对人体产生伤害。在这种背景下，绿色建材的概念应运而生。

1988年第一届国际材料科学研究会上，日本学者首次提出了“绿色材料”这一概念。在这里，绿色是大自然的本色，代表现代人类对环保的向往，代表对健康的追求。1992年，联合国在巴西里约热内卢召开了全世界环境与发展首脑会议，会议通过了保护环境保护人类健康的《二十一世纪议程》。期间，国际学术界明确提出了绿色材料的定义：绿色材料是指在原料采取、产品制造、使用或者再循环以及废料处理等环节中对地球环境负荷最小和有利于人类健康的材料。由此，绿色建材又称生态建材、环保建材和健康建材，它是指采用清洁卫生生产技术生产的无毒害、无污染、无放射性，有利于环境保护和人体健康，安全的建筑和装饰材料。“绿色”可以归纳为八个字：“环保、健康、安全、节能”。

经有关专家总结，绿色建材应包括以下内容：

不含或少含有害有机挥发物(如甲醛、苯、卤化物溶剂、汞及其化合物等)的涂料、复合实木地板、强化地板(复合地板)等；

低放射性的花岗岩、大理石、瓷砖、空心砖等；

使用工业废料和建筑垃圾的墙体砌块、混凝土等；

不含有害重金属元素的给排水设备，尽量使用塑料管材、节水马桶、节水水嘴等。

绿色建材的理念为我国土木工程界所接受后，各种合理的材料标准纷纷制定出台，一些落后于时代的产品和材料生产工艺被逐渐淘汰，包括有致癌可能的石棉瓦、各种有害挥发物含量大的涂料等。

案例3.3 国家游泳中心“水立方”工程

国家游泳中心(图 3.7)是中外建筑师、结构工程师合作，通过对表皮概念的理解、运用而完成的一项重要工程。相对于国家大剧院和国家体育场，国家游泳中心的表皮在概念、功能、结构上都具有完整的逻辑性，是最为成熟的一个项目。

这是一个关于水的建筑，水是该建筑的创作母体。该项目摒弃了流动、波浪之类比较具体形象的形式，而是采用微观水分子结构作为形式来源，并将这个母体运用于构造细节上，由此扩展至整个建筑概念中。

表皮的支撑结构和表皮的新型半透明材料是该建筑的创新之处。结构的灵感来源于Kelvin的泡沫理论，即模仿肥皂泡的结构，设计基于三维空间的网架结构。这种结构的模型在自然界中普遍存在，例如细胞组织单元的排列形式、水晶矿物质结构、各种泡沫的天然构造等。尽管从表面上看，这种网架比常见的正三角锥、正方体等简单几何体的网架要复杂得多，但同样具有很强的重复性，设计者首先设计了一个比较简单的正六边形网架，倾斜30°之后沿着正方体的四个面切开网架，暴露在四个立面上的网架结构就是设计者构想的有机“泡沫”图案。

图3.7 国家游泳中心外观效果图图3.8 国家游泳中心结构

外墙材料(图3.8)是一种双层聚四氟乙烯薄膜(ETFE)，它覆盖了结构表面的一系列多边形单元，这种材料的优点主要在于：

阻燃——熔点高达2750℃；优良的隔热保温性能；良好的自洁性；质轻——每层仅0.2mm厚；良好的透光性；正常使用寿命可达30年；ETFE是半透明材料，通过附着在泡沫形网架上，形成了表现平静水体含义的表皮，很好地表达了设计者的初衷。在夜晚，可以通过内外部灯光的设计达到一种晶莹而朦胧的效果。

2.2.3 工程施工

我国是一个在建筑施工技术方面历史悠久且拥有巨大成就的国家，从以木构架结构为主，使用柱、额、梁、拱等构件，采用镏金、玻璃装饰手法修建宫殿、庙堂，到土、石、砖、瓦、石灰、钢铁、矿物颜料和油漆相关技术及材料的大规模运用，再到用夯土墙内加竹筋的办法建造三、四层楼房，都表明我国建筑施工技术不断进步并始终保持着较高的技术水平。

改革开放以来，随着我国建筑市场的蓬勃发展，大型、特大型和高难度建筑物不断涌现，我国在工程施工技术方面也取得了可喜的进步。在较好地掌握了大型工业设施施工和高层民用建筑施工的成套技术基础上，在软土地基处理技术、深基坑支护技术、预应力技术、高层施工技术、特种结构施工技术和计算机应用等方面也取得了很大的进展。

案例3.4 青藏铁路工程

建设青藏铁路是党中央、国务院在新世纪之初做出的战略决策，是西部大开发的标志性工程，对加快青、藏两省区的经济、社会发展，增进民族团结，造福各族人民，具有重要意义。铁路已于2006年7月1日全线通车(图3.9)。

青藏铁路由青海省西宁市至西藏自治区拉萨市，全长1956km。其中，西宁至格尔木段长814km，1979年建成铺通，1984年投入运营。格尔木至拉萨段，自青海省格尔木市起，沿青藏公路南行至西藏自治区首府拉萨市，全长1142km，其中新建1110km，格尔木至南山口既有线改造32km(图3.10)。青藏铁路建设面临着多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱“三大难题”的严峻挑战，工程艰巨，要求很高，难度很大。

图3.9 青藏铁路通车图3.10 青藏铁路地图

青藏铁路于2001年6月29日开工，当年完成投资11.8亿元，格尔木至南山口段既有线改造完成，南山口至望昆段路基基本成型，冻土试验段开工，实现了首战告捷。2002年完成投资53.2亿元，格尔木至望昆段线下主体工程建成，望昆至楚玛尔河段线下主体工程基本完成，楚玛尔河至布强格段线下主体工程完成80％以上；6月29日开始铺轨，年底顺利到达昆仑山。

青藏高原素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称，是我国的“江河源”。在青藏高原这种原始、独特、脆弱、敏感的地理生态环境中修建的青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，翻越唐古拉山的铁路最高点海拔5072m，经过海拔4000m以上地段960km，穿越连续多年冻土区550km以上。在青藏铁路建设和施工中有效地保护生态环境，是青藏铁路建设的重要任务，也是国内外关注的焦点。党中央、国务院对青藏铁路建设的生态环境保护问题极为重视。朱镕基同志要求“一定要认真贯彻国务院有关加强保护青藏高原生态环境的精神，十分爱护青海、西藏的生态环境，十分爱护青海、西藏的一草一木，精心保护我们祖国的每一寸绿地”。为搞好青藏铁路建设的生态环境保护工作指明了方向。

青藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在0℃以下，空气中的含氧量仅为平原地区的一半。

“青藏铁路之最”：

世界上海拔最高、线路最长的铁路；世界上最高的高原冻土隧道——风火山隧道；世界上最长的高原冻土隧道——昆仑山隧道；世界上海拔最高的火车站——唐古拉车站；我国最大的高原铁路铺架基地——青藏铁路南山口铺架基地；青藏铁路线上最长的“以桥代路”工程——清水河特大桥；青藏铁路第一高桥——三岔河大桥；长江源头第一铁路桥——长江源特大桥；环保投入最多的铁路建设项目；民工待遇最好的铁路项目之一。

案例3.5 攀天之路——成昆铁路工程

联合国曾在1984年12月8日评选了由成员国赠送的、象征人类征服大自然的三件礼物，它们分别是：中国成昆铁路象牙雕刻艺术品(图3.11)、美国阿波罗宇宙飞船带回来的月球岩石和苏联第一颗人造卫星模型。它们分别代表了人类在20世纪创造的三项最伟大的工程杰作！成昆铁路象牙雕刻被排在了三项特别奖的首位。成昆铁路得到这一殊荣不是偶然的，充分说明了它在世界铁路建设史上的地位和意义。